Oncool.ru

Строй журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Причины возникновения сквозного тока в диэлектриках

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Вторая характерная особенность электропроводности диэлектри­ков — спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения. При включении постоянного напряжения ток в диэлек-

Рис. 3.3. Зависимость величины тока / в диэлек­трике от времени т приложения постоянного на­пряжения (схематически):

/см — ток смещения, вызванный деформационными видами поляризации; /аб — ток абсорбции; /ск — ток сквозной проводимости; 1 — электрическое старение (электролиз); 2 — электроочистка

трике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асим­птотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его сни­жение вызваны током смещения /см в диэлектрике. Плотность тока смещения усм определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = ееЕ):

Ток смещения /см вызван как мгновенными (деформационными) видами поляризации, так и замедленными (релаксационными), а также перераспределением свободных зарядов — их дрейфом, но без разряжения на электродах.

В первом случае из-за кратковременности установления элек­тронной и ионной поляризаций /см не удается зафиксировать с по­мощью измерительного прибора. Ток смещения, обусловленный де­формационными видами поляризации, имеет важное значение в работе /7-л-перехода полупроводниковых приборов и подробно рас­сматривается в гл. 8.6.

Во втором случае ток смещения наблюдается в технических ди­электриках от нескольких минут до нескольких десятков минут по­сле приложения напряжения и называется током абсорбции /аб.

Ток абсорбции 1аб вызван релаксационными видами поляризации и перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Послед­нее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации ловушек (уровней захвата) — дефектов решетки, не- однородностей, границ раздела и т. п., и вносит свой вклад в поля­ризацию диэлектрика. При поляризации диэлектрика на его поверх­ностях, обращенных к электродам, образуются поверхностные связанные заряды (см. гл. 2.1.2). Для компенсации этих зарядов на электроды дополнительно натекают сторонние заряды + (?д и (см. рис. 2.1, б), формирование и рост которых связаны с возникновени­ем и ростом тока абсорбции. Когда поляризация диэлектрика начнет завершаться, то рост сторонних зарядов замедлится, а затем и вовсе прекратится, следовательно, и ток абсорбции по мере завершения поляризации начнет уменьшаться и станет равен нулю.

Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении — в каждый полупериод изменения электрического поля, т. е. прак­тически в течение всего времени приложения переменного напря­жения.

В результате поляризации диэлектрика, вызванной релаксационными видами, а также под действием образовавшихся объемных зарядов, образец заряжается. В диэлектрике возникает электрическое поле (Есз), вектор ко­торого направлен противоположно приложенному полю. Если от него от­ключить внешний источник напряжения и его закоротить, то по образцу пойдет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате освобождения носителей заряда с различных ловушек и дезори­ентации диполей. Зависимость тока деполяризации от времени несет информацию о закономерностях молекулярной подвижности, дефектах строения, и в ряде случаев с ее помощью возможно прогнозирование срока службы полимерной изоляции (см. гл. 5.4.3). При нагревании (с постоян­ной скоростью) заряженного образца образуется ток деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод ТСД широко ис­пользуют при изучении релаксационных переходов (Гс, Гт и др.) в поли­мерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей заряда.

Составляющая тока, которая не изменяется со временем прило­жения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разряжающихся на электро­дах, и называется током сквозной проводимости /ск (сквозным током, током утечки или остаточным током). По величине сквозного тока определяют удельную объемную (или поверхностную) электропро­водность диэлектрика.

Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением свободных зарядов с обязательным их разряжением на электродах. Эти заряды поставляются ионогенной примесью, самим диэлектриком, а в сильных полях инжектируются со стороны электродов.

Только в результате разряжения носителей заряда на электродах (поло­жительный ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион от­дает электрон(ы) аноду) во внешней цепи возникает электрический (элек­тронный) ток, измерив величину которого, можно определить удельное объемное (или поверхностное) сопротивление диэлектрика. Если в диэлек­трике протекающий ток имеет ионную природу, то во внешней цепи — электронную. Следовательно, на электродах происходит трансформация тока из ионного типа в электронный.

Ток сквозной проводимости измеряют тогда, когда после прило­жения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время, как отмечалось выше, составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

Величина тока сквозной проводимости при длительном прило­жении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов, а также образования объемных зарядов. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном приложении постоянного напряжения к твердому или жидкому диэлектрику ток сквозной проводимости со временем продолжает уменьшаться (см. рис. 3.3, кривая 2), значит электропроводность данного материала обусловлена в основном ионами примеси и уменьшается в результате электроочистки образца. Ток сквозной проводимости также уменьшается, если носители заряда, подходя к электродам, не разряжаются на них из-за высокого потенциаль­ного барьера на границе металл—диэлектрик. Накапливаясь в приэлектродных областях, носители заряда образуют объемные за­ряды (положительный — у катода и отрицательный — у анода), препятствующие прохождению тока. Объемные заряды в приэлек­тродных областях могут также образовываться (в сильных полях) в результате инжекции зарядов со стороны электродов, однако в этом случае знак объемных зарядов соответствует полярности электродов (см. гл. 7.15.5).

До приложения электрического поля диэлектрик был электро­нейтральным, т. е. суммарный заряд всех его микрообъемов был ра­вен нулю, то после приложения поля, в результате перемещения за­рядов (в том числе инжектированных со стороны электродов) на макроскопические расстояния и закрепления части из них на ловуш­ках, электронейтральность нарушается, и в диэлектрике возникают объемные заряды. Образец поляризуется. Заряды, которые разряжа­ются на электродах, образуют ток сквозной проводимости. Таким образом, поляризация и электропроводность всегда проявляются од­новременно, только по истечении некоторого времени поляризация завершается, а электропроводность сохраняется.

Если же ток сквозной проводимости со временем увеличивается (см. рис. 3.3, кривая 7), то это указывает на участие в образовании электрического тока зарядов, являющихся его структурными элемен­тами материала, т. е. имеет место электролиз. В этом случае материал стареет — в нем протекают необратимые электрохимические процес­сы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца (см. гл. 5). Например, приложив к нагретому неорганическому стек­лу постоянное напряжение, можно наблюдать благодаря его про­зрачности, как в стекле продукты электролиза, в частности выделяю­щийся на катоде металлический натрий, образуют ветвистые отложения — металлические дендриты (подробнее см. гл. 5.4.3). При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину диэлектрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.

Дата добавления: 2015-08-09 ; просмотров: 529 | Нарушение авторских прав

Проектируем электрику вместе

Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимостьэто свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б о льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Читать еще:  Устройство розетки под интернет

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
2. Постоянный и переменный ток
3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
4. Направление электрического тока
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Проводимость в газах
8. Электрический ток в вакууме
9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.

Причины возникновения сквозного тока в диэлектриках

1. Как изменяется напряженность на электроде-стержне при увеличении степени неоднородности поля
Увеличивается
2. Что обозначает первая цифра в характеристике стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс
Выберите один ответ:
τф =1,2 мкс – длительность переднего фронта (возрастания напряжения) стандартного грозового импульса

3. Что называется “барьерным эффектом”
Выберите один ответ:
Увеличение разрядных напряжений изоляционных промежутков за счет размещения в них барьеров из твердого диэлектрика

4. Создает ли коронный разряд помехи радио- и телесигналам
Выберите один ответ:
Создает

5. Создает ли коронный разряд акустический шум
Выберите один ответ:
Создает

6. Как атмосферные осадки изменяют начальное напряжение возникновения короны
Выберите один ответ:
Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны

7. Как коронный разряд действует на линии электропередач
Выберите один ответ:

Ионизация воздуха, возникающая при коронном разряде, разрушительно действуют на изоляцию и металлическую арматуру линий электропередач
8. Какова концентрация ионов в плазме
Выберите один ответ:
nион ≥ 1012 ионов на см3

9. Какое напряжение больше в резконеоднородных полях: напряжение пробоя или
напряжение возникновения коронного разряда
Выберите один ответ:
Напряжение пробоя

10. В каком случае обеспечивается надежная защита высоковольтного оборудования при использовании воздушного разрядника от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений
Если вольт-секундная характеристика (ВСХ) разрядника лежит ниже ВСХ защищаемого оборудования во всем диапазоне времен воздействующего напряжения

11. При какой температуре может существовать плазма
Выберите один ответ:
5000 К и выше

12. Что называется временем разряда?
Выберите один ответ:

Время для развития и завершения разряда в газовой среде
13. При каком напряжении потери на коронирование проводов больше
Выберите один ответ:
При переменном напряжении потери энергии на корону существенно больше, чем при постоянном напряжении

14. При каком напряжении коронирование проводов линий электропередач более интенсивное
Выберите один ответ:
При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении

15. Создает ли потери в линиях электропередач коронный разряд
Выберите один ответ:
Создает

16. Какое напряжение больше в слабонеоднородных полях: напряжение пробоя или напряжение возникновения коронного разряда
Выберите один ответ:
Напряжение пробоя практически равно
напряжению возникновения коронного разряда

17. При каком напряжении потери на коронирование проводов больше
Выберите один ответ:
Увеличивается

18. Каким образом обеспечивается защита высоковольтного оборудования
от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений
Выберите один ответ:
Параллельно защищаемому объекту включается воздушный разрядник

19. Как может увеличиться разрядное напряжение при положительной полярности остроконечного электрода в случае использования “барьерного эффекта”?
Выберите один ответ:
Может увеличиться в 2 раза

20. Что называется барьерным разрядом
Выберите один ответ:
Барьерный разряд — разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом в цепи переменного тока

21. Что называется “отрицательной короной”
Выберите один ответ:

Возникновение коронного разряда вокруг электрода отрицательной полярности

22. Как определяется вольт-секундная характеристика изоляции
Выберите один ответ:
Зависимость напряжения разряда в газовой среде от времени действия электрического импульса
23. Как изменяется напряжение возникновения коронного разряда при увеличении степени неоднородности поля
Выберите один ответ:
Уменьшается

24. Для чего используются вольт-секундные характеристики изолирующих характеристик высоковольтного оборудования
Выберите один ответ:
Для разработки системы защиты от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений

Добавлено через 27 минут
ТЕСТ 3
1. Может ли подвесной изолятор использоваться при напряжении 110 кВ
Может
2. Для чего используются высоковольтные конденсаторы в системах энергоснабжения
Для уменьшения реактивной мощности
3. Какой высоковольтный кабель называется “криогенный”
Кабель с охлаждением до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (5 К)
4. Каково предельное значение напряжения для использования штыревых изоляторов
35 кВ
5. Как изменяется ток утечки на поверхности изолятора линий электропередач при увеличении влажности
ток утечки возрастает
6. Может ли единичный частичный разряд привести к сквозному пробою изоляции
Может неправильно

7. Каково среднее значение электрической прочности для хорошо очищенных жидкостных диэлектриков
Выберите один ответ:
До1000 кВ/см

8. Какая изоляция имеет наибольшее значение напряжения пробоя: твердая, жидкая, газообразная
Выберите один ответ:

9. Как увлажнение загрязнения изоляторов линий электропередач влияет на значение пробивного напряжения
Выберите один ответ:
Пробивное напряжение уменьшается

10. Какая величина характеризует диэлектрические потери в изоляции
Выберите один ответ:
Углом диэлектрических потерь, который определяется отношением активной составляющей тока в диэлектрике к емкостной составляющей

Читать еще:  Розетка легранд карива 773727

11. Какой из факторов в наибольшей степени влияет на значение напряжения пробоя твердой изоляции
Выберите один ответ:
Время приложения напряжения

12. Для каких рабочих напряжений изготавливаются преимущественно криогенные кабели
Выберите один ответ:
До 500 кВ

13. Как увеличение давления трансформаторного масла влияет на значение его напряжения пробоя
Выберите один ответ:
Повышает напряжение пробоя

14. В каком случае более вероятно возникновение частичных разрядов
Выберите один ответ:

Если имеются местные неоднородности диэлектрика

15. Как изменяется напряжение пробоя жидкого диэлектрика при увеличении площади электродов
Выберите один ответ:
Снижает напряжение пробоя

16. В каком случае возникает частичный разряд в изоляции
Выберите один ответ:
Локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика в местах с пониженной электрической прочностью под действием высокой напряженности электрического поля

17. Какой срок службы должна иметь высоковольтная изоляция
Выберите один ответ:
20 лет

18. Из какого материала изготавливаются штыревые изоляторы
Выберите один ответ:
Из электротехнического фарфора или стекла

19. Какая из перечисленных жидкостей не относится к диэлектрикам
Выберите один ответ:
Вода

20. Какой из диэлектриков обладает большей электрической прочностью: жидкость или газ
Выберите один ответ:
Жидкостный диэлектрик

21. Какие изоляторы используются для токоведущих частей с напряжением 110 кВ при прохождении через стены, перекрытия зданий, ограждения электроустановок
Выберите один ответ:
Выводы

22. На какое напряжение разрабатываются и изготавливаются гидрогенераторы
Выберите один ответ:
На напряжение
до 220 кВ

23. Каково предельное значение напряжения для использования проходных изоляторов
Выберите один ответ:
35 кВ

24. Каково среднее значение электрической прочности для хорошо очищенных жидкостных диэлектриков
Выберите один ответ:
До1000 кВ/см

25. Где используются проходные изоляторы
Выберите один ответ:
Где токоведущие части проходят через стены, перекрытия зданий, ограждения электроустановок

26. Как толщина твердой изоляции влияет на значение ее удельной электрической прочности Е [В/мм]
Выберите один ответ:

С увеличением толщины твердой изоляции ее удельная электрическая прочность снижается

27. Как расстояние между электродами влияет на значение напряжения пробоя жидкостного диэлектрика
Выберите один ответ:
При увеличении расстояния между электродами значение напряжения пробоя жидкостного диэлектрика увеличивается

28. В каком случае повысится значение напряжения пробоя жидкостного диэлектрика
Выберите один ответ:
При понижении температуры жидкостного диэлектрика

29. Как влияет сухое загрязнение изоляторов линий электропередач на значение пробивного напряжения
Выберите один ответ:
Пробивное напряжение уменьшается неправильно

30. Как сопротивление утечки по поверхности цилиндрического гладкого изолятора Ry зависит от его диаметра D
Выберите один ответ:
,
где L — длина пути утечки;
Δ — толщина слоя загрязнения;
ρ- удельное объемное сопротивление слоя загрязнения

31. Как изменяется значение напряжения пробоя для трансформаторного масла при увеличении времени воздействия напряжения
Выберите один ответ:

Напряжение пробоя уменьшается

32. Какие изоляторы относятся к линейным
Выберите один ответ:
Штыревые и подвесные

33. Как разрядное напряжение цилиндрического гладкого изолятора Ry зависит от его диаметра D
Выберите один ответ:
,
где Iy – ток утечки;
L – длина пути утечки;
Δ – толщина слоя загрязнения;
ρ – удельное объемное сопротивление слоя загрязнения

34. При какой температуре электрическая прочность фарфора начинает резко снижаться
Выберите один ответ:
При T>750С

35. В каком случае повысится значение напряжения пробоя жидкостного диэлектрика
Выберите один ответ:

Добавлено через 36 минут
При повышении вязкости жидкостного диэлектрика
36. Как наличие загрязнений в трансформаторном масле влияет на значение его напряжения пробоя
Выберите один ответ:
Снижает напряжение пробоя

37. Чему равно значение коэффициента неоднородности для однородного поля
Выберите один ответ:

38. Какое явление называется “электрической дугой ”
Электрическая дуга является частным случаем плазмы и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.

Добавлено через 58 минут
1. Каково условие осуществления фотоионизации газа
Необходимо, чтобы энергия фотонов, излучаемая возбужденными атомами или молекулами, была
больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой

2. Как называется газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована (nион ≥ 1012÷1014 ионов на см3)
Плазма
3. Какое явление называется “коронным разрядом”
Форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резконеоднородных полях
4. В каких единицах измеряется энергия ионизации атомов
Выберите один ответ:
В электроновольтах [еВ]

5. Что подразумевается под ступенчатой ионизацией
Выберите один ответ:
Первый электрон, воздействующий на нейтральный атом, переводит его только в возбужденное состояние (энергии первого электрона недостаточна для ионизации атома), воздействие второго электрона на возбужденный атом приводит к его ионизации

6. Каков смысл закона Пашена
Выберите один ответ:
При неизменной температуре разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления P на расстояние между электродами S
Uпр = f (P . S),
где Uпр — пробивное напряжение

7. Как определяется средняя напряженность электрического поля
Отношение напряжения, приложенного к электродам U, к расстоянию между электродами S

8. Что подразумевается под ударной ионизацией
Выберите один ответ:

Процесс ионизации атомов при ударе о него электрона (или другой заряженной частицы)

9. Между какими электродами электрическое поле будет однородным
Выберите один ответ:

Между двумя плоскопараллельными пластинами

10. Что подразумевается под понятием “ионизация атома”
Выберите один ответ:
Когда электрон атома в результате получения им внешней энергии становится свободным, и образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион

11. Где ниже пробивные напряжения: в симметричной или несимметричной системе электродов
Выберите один ответ:
В несимметричной системе электродов

12. Может ли термоионизация происходить в газовой среде
Выберите один ответ:
Может

13. Где может возникнуть объемная ионизация
Выберите один ответ:
В газовой среде

14. Чему равно значение коэффициента неоднородности для резконеоднородного поля
Выберите один ответ:

15. Плазма состоит в основном из положительных или отрицательных зарядов
Выберите один ответ:
Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова

16. Как определяется коэффициент неравномерности электрического поля между коаксиальными проводниками
Выберите один ответ:
,
где r — внешний радиус внутреннего цилиндра (жила кабеля);
R — внутренний радиус наружного цилиндра (оплетка кабеля)

17. Какое явление называется “тлеющим разрядом”
Выберите один ответ:
Вид стационарного электрического разряда в газах; формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе

18. Где может возникнуть поверхностная ионизация
Выберите один ответ:
На поверхности электрода

19. При каких условиях может происходить термоионизация газа
Выберите один или несколько ответов:
Ионизация при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах
Освобождение электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах
Фотоионизация нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах
Все три верно.

20. В каком случае разряд в газе из несамостоятельного может перейти в самостоятельный
Выберите один ответ:
Если увеличить приложенное к электродам напряжение

21. Какой материал используется для изоляции токоведущих проводников
Выберите один ответ:
Диэлектрик

22. Чем характеризуется степень неоднородности электрического поля между электродами
Выберите один ответ:
Коэффициентом неоднородности КН

23. Чему равна средняя напряженность электрического поля между коаксиальными проводниками
,
где U — приложенное напряжение, кВ;
r — внешний радиус внутреннего цилиндра (жила кабеля);
R — внутренний радиус наружного цилиндра (оплетка кабеля)

24. Воздух – это внешняя или внутренняя изоляция линий электропередачи
Внешняя

25. Какой процесс называется лавиной электронов
Выберите один ответ:
Неуклонно нарастающий процесс размножения электронов в результате ионизации атомов и молекул газа в электрическом поле, как правило, электронным ударом

Лекция 15 электрические характеристики диэлектриков

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электропроводность материалов объясняет зонная теория.

Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.

Читать еще:  Расстояние интернет розетки от силовой

У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.

Такие материалы называются диэлектриками , в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.

Основные электрические характеристики диэлектрика:

1) удельное электрическое сопротивление ρ v и ρ s ;

2) диэлектрическая проницаемость Е , относительная – Е r = E / E 0 ;

3) тангенс угла диэлектрических потерь — tg δ ;

4) электрическая прочность Е пр = U пр : h , В/м .

1. Сопротивление диэлектрика

Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.

Если для проводников удельное сопротивление более 10 -9 Ом . м, то для диэлектриков оно более 10 10 ÷ 10 19 Ом . м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.

Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный I v , идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный I s , идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρ v и поверхностное удельное сопротивление ρ s . Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρ v ] – Ом . м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρ s ] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρ v и ρ s необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки I v и I s , замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρ v и ρ s . Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).

2. Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость ε r показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

где ε r – безразмерная величина, а ε о – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8,85 . 10 -12 или 8,86 . 10 -12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.

Поляризацией называется смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи , то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.

Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения . Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.

Различают следующие виды поляризации :

1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);

2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)←Na + Cl — →(+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.

Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).

Другие виды поляризации называются неупругими , так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).

3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.

5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.

От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.

3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Если на обкладки конденсатора, находящегося в вакууме, подать напряжение U, то на обкладках накопится заряд Q о = C о . U и между обкладками образуется электрическое поле, напряжённость которого будет E = U/h, В/м .

Если между обкладками поместить диэлектрики, то в диэлектрике возникнут:

1) т ок утечки , образующийся свободными зарядами (электронами и ионами примесей и самого диэлектрика), которые движутся к противоположно заряженным электродам под действием кулоновских сил (их величину можно рассчитать по закону Кулона). По пути к электродам носители свободных зарядов сталкиваются с атомами диэлектрика и передают им часть своей энергии, которую сами они получают от внешнего поля – то есть происходит потеря энергии (она превращается в тепловую). Этот ток мал и быстро уменьшается (за 10 -15÷16 с), называется ток утечки или активный ток.

2) т ок смещения , образующийся смещением электрических зарядов, носителями которых могут быть связанные электроны, ионы, диполи, домены и т. д., – в самом диэлектрике возникают электрические заряды, которые создают электрическое поле обратного направления, это внутреннее поле ослабляет внешнее электрическое поле, уменьшает его напряженность. Однако U = const, поэтому для компенсации внутреннего электрического поля на обкладки конденсатора «натекает» дополнительный заряд, суммарный заряд Q становится больше заряда в вакууме Q о . Относительная диэлектрическая проницаемость ε r = Q/Q о , а так как Q = C . U, то ε r = C/C о — то есть показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше С о в вакууме (ε = ε r . ε о ,Ф/м).

Ток смещения образуется перемещением электрических зарядов в пространстве, но «центр тяжести» зарядов остаётся на месте! Смещение электрических зарядов во внешнем электрическом поле называется поляризацией . В зависимости от вида диэлектрика (от его физической природы, химического состава) в нём имеются разные поляризации – упругие и неупругие – поэтому токи смещения в разных диэлектриках будут разными по природе и величине. Если U = const, то оба тока пропадают по окончании установления электрического поля в конденсаторе. Если U = var, то оба тока наблюдаются всё время приложения напряжения: I c = ω . C . U, где ω = 2πf.

Построим векторную диаграмму токов в диэлектрике.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector